(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面を含む領域に金属からなる金属層を有する電極上において、はんだを溶融させた上で凝固させることにより金属電極を形成する金属電極の形成方法であって、
前記電極を前記はんだの融点よりも低い温度に加熱することにより、前記電極の前記金属層の表面に酸化膜を形成する工程と、
前記酸化膜を形成する工程の後、前記電極の前記金属層の表面にフラックスを塗布する工程と、
前記フラックスを塗布する工程の後、前記フラックスが塗布された前記金属層の表面に前記はんだを供給する工程と、
前記はんだを供給する工程の後、前記はんだの融点よりも高い温度に前記はんだを加熱することにより、前記はんだを溶融する工程と、
前記はんだを溶融する工程の後に、前記はんだを凝固させてはんだバンプを形成する工程とを備えた、金属電極の形成方法。
【請求項２】
前記酸化膜を形成する工程において、前記電極を、前記低い温度としての加熱温度１００℃以上１６５℃未満、かつ加熱時間１分以上５分以下の条件で加熱する、請求項１に記載の金属電極の形成方法。
【請求項３】
前記はんだは鉛フリーはんだである、請求項２に記載の金属電極の形成方法。
【請求項４】
前記金属層は金を含んでいる、請求項３に記載の金属電極の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、金属電極の形成方法に関し、より特定的には金属電極の形成時においてボイドの発生を抑制することが可能な金属電極の形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体素子においては、半導体素子に接続された電極上においてはんだを溶融させた上で凝固させることにより、半導体素子を他の部材と電気的に接続するための金属電極が形成される場合がある。このとき、はんだの内部にボイド（微小な空洞）が発生する場合があり、これに起因して、上記電極とはんだとの接合の信頼性が低下するという問題が生じる。
【０００３】
一方、半導体素子から発生する熱を効率よく放散させるために、半導体素子を熱伝導性のよい材料からなる放熱性基板（放熱板）の上に搭載することが行われている。通常半導体素子と放熱性基板との間ははんだ接合によって接合されている。このとき、はんだの内部にボイドが発生して熱伝導性や接合信頼性が低下する場合がある。このようなボイドの発生を抑制する方法として、放熱性基板の表面にニッケルめっきを施すとともに、このニッケルめっきの厚さを、接合面の端部と中央部とを含めた５点において２．０μｍ以下の変動幅に抑える方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００７−２７３６８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、上記ニッケルめっきの厚さのばらつきを少なくする方法を、上記金属電極の形成に適用することにより、金属電極の形成における上記接合の信頼性低下の問題を解消可能であるとも考えられる。しかしながら、上記方法を採用した場合でも、はんだ層の内部やはんだと電極との界面部分で生じるボイドを十分に低減することができないという問題がある。
【０００５】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであって、金属電極の形成におけるボイドの発生を抑制することにより、電極とはんだとの接合の信頼性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る金属電極の形成方法は、表面を含む領域に金属からなる金属層を有する電極上において、はんだを溶融させた上で凝固させることにより金属電極を形成する金属電極の形成方法である。この金属電極の形成方法は、電極をはんだの融点よりも低い温度に加熱することにより、電極の金属層の表面に酸化膜を形成する工程と、酸化膜を形成する工程の後、電極の金属層の表面にフラックスを塗布する工程と、フラックスを塗布する工程の後、フラックスが塗布された金属層の表面にはんだを供給する工程と、はんだを供給する工程の後、はんだの融点よりも高い温度にはんだを加熱することにより、はんだを溶融する工程と、はんだを溶融する工程の後に、はんだを凝固させてはんだバンプを形成する工程とを備えている。
【発明の効果】
【０００８】
この発明に係る金属電極の形成方法によれば、金属層の表面にフラックスおよびはんだが供給される前に、電極がはんだの融点よりも低い温度に加熱されて当該金属層の表面に均一な膜厚の酸化物膜が形成される。そのため、はんだが加熱されて溶融する際における拡散が均一に進行し、ボイドの発生を抑制することができる。その結果、電極とはんだとの接合の信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【００１０】
（実施の形態１）
本発明者は、金属電極形成時におけるボイドの発生メカニズムおよびその抑制方法について詳細な検討を行なった。その結果、以下のような知見が得られ、本発明に想到した。すなわち、金属電極形成時におけるボイドの発生原因を調査したところ、電極の表面を含む領域に形成された金属層上の酸化物や水酸化物がボイドの発生原因となっていることが分かった。この酸化物や水酸化物は、上記金属層がめっきにより形成された場合に、多く存在する。このような酸化物や水酸化物は、アルコールなどを用いた脱脂工程では除去することが困難である。これに対し、アルゴンプラズマ処理などの清浄化処理によって当該酸化物や水酸化物の除去を行なった上で、金属電極の形成を試みた。しかし、金属電極形成時におけるボイドの発生を十分に抑制することはできなかった。
【００１１】
そこで、ボイドの発生原因をさらに調査したところ、電極の金属層上形成された酸化物や水酸化物の膜厚は均一ではなく、清浄化処理によって膜厚の厚い部分が残ったり、酸化物や水酸化物の一方のみしか除去できなかったりしていることが分かった。そして、この不均一に残存した酸化物や水酸化物の残渣がボイドの原因となっていた。つまり、酸化物や水酸化物の有無がボイドの原因となっているのではなく、酸化物や水酸化物が不均一に残存していることがボイドの発生の原因であることが明らかとなった。以上のような知見に基づき、本発明の金属電極の形成方法においては、酸化物や水酸化物の不均一性を解消することにより、ボイドの発生を有効に抑制することが可能となっている。以下、本発明の一実施の形態である実施の形態１について説明する。
【００１２】
図１は、実施の形態１における金属電極の形成方法を用いた半導体装置の製造方法の概略を示すフローチャートである。また、図２〜図６は、実施の形態１における金属電極の形成方法を説明するための概略断面図である。
【００１３】
図１を参照して、実施の形態１における半導体装置の製造方法では、まず、工程（Ｓ１０）として、半導体素子準備工程が実施される。具体的には、工程（Ｓ１０）では、図２に示す半導体素子が準備される。図２を参照して、工程（Ｓ１０）において準備される半導体素子１１は、半導体素子１１上に配置された電極２０に接続されている。半導体素子１１は、たとえばダイオード、トランジスタなどの半導体素子である。電極２０は、導電体であるＡｌ（アルミニウム）からなり、半導体素子１１上に配置された電極本体としてのＡｌ電極１２と、Ａｌ電極１２上に形成され、導電体であるＮｉ（ニッケル）からなる金属層としてのＮｉ膜１３と、Ｎｉ膜１３上に形成され、導電体であるＡｕ（金）からなる金属層としてのＡｕ膜１４とを含んでいる。すなわち、電極２０の表面を含む領域に配置された金属膜は、Ａｕを含んでいる。Ｎｉ膜１３およびＡｕ膜１４は、たとえばＡｌ電極１２上にめっきにより形成されている。
【００１４】
また、半導体素子１１上には、半導体素子１１の上部表面と、Ａｌ電極１２の側面および上部表面の一部と、Ｎｉ膜１３およびＡｕ膜１４の側面とを覆い、ポリイミドなどの絶縁体からなる絶縁部材としてのポリイミド被覆層１５が配置されている。半導体素子１１および電極２０は、このポリイミド被覆層１５に覆われている領域において外部との間が絶縁されるとともに、Ａｕ膜１４が当該ポリイミド被覆層１５から露出することにより、外部と電気的に接続可能となっている。以上のような半導体素子１１を準備することにより、表面を含む領域に金属からなる金属層を有する電極と接続された半導体素子を準備する工程である工程（Ｓ１０）が完了する。
【００１５】
次に、図１を参照して、電極上において、はんだを溶融させた上で凝固させることにより金属電極を形成する金属電極形成工程が実施される。この金属電極形成工程は、以下の工程（Ｓ２０）〜（Ｓ６０）を含む本実施の形態における金属電極の形成方法により実施される。
【００１６】
本実施の形態における金属電極形成工程においては、まず、工程（Ｓ２０）として、予備加熱工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、図３を参照して、上記半導体素子１１に接続された電極２０が、はんだの融点よりも低い温度である予備加熱温度に加熱される。より具体的には、工程（Ｓ２０）においては、たとえば電極２０に接続された半導体素子１１が、酸素を含む雰囲気中、たとえば空気中において加熱される。これにより、電極２０上には、均一な膜厚を有し、Ｎｉの酸化物および水酸化物を含む酸化膜１８が形成される。ここで、工程（Ｓ２０）における加熱温度および加熱時間は、均一な膜厚を有する酸化膜１８が形成される範囲で適宜選択することができるが、加熱温度が１００℃未満であったり加熱時間が１分以下であったりする場合、酸化膜１８の形成が不十分となり、均一な膜厚を有する酸化膜１８を形成することができないおそれがある。そのため、工程（Ｓ２０）における加熱温度および加熱時間は、それぞれ１００℃以上および１分間以上であることが好ましい。一方、加熱温度が１６５℃を超えたり加熱時間が５分を超えたりする場合、酸化膜１８の形成が過剰となるおそれがある。その結果、後述する工程（Ｓ５０）において、電極２０に対する溶融したはんだの濡れ性が不十分となったり、ボイドが増加したりする可能性がある。そのため、工程（Ｓ２０）における加熱温度および加熱時間は、それぞれ１６５℃以下および５分間以下であることが好ましい。
【００１７】
次に、図１を参照して、工程（Ｓ３０）としてフラックス塗布工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、図４を参照して、工程（Ｓ２０）において酸化膜１８が形成された電極２０のＡｕ膜１４の表面に、フラックス１６が塗布される。このフラックス１６は、後述する工程（Ｓ５０）において、電極のＡｕ膜１４の表面から酸化膜１８を除去可能なものであれば、種々の成分組成を有するものを選択することができるが、濡れ性が良好で洗浄後の残渣が少なく、タッキング性に優れるという理由により、粘度の高いロジン系の強活性タイプ（例えば千住金属工業株式会社製デルタラックス５２３Ｈなど）を採用することが好ましい。また、工程（Ｓ３０）におけるフラックス１６の塗布は、たとえば所望の開口パターンを有するマスクおよびスキージを用いてフラックス１６を電極２０上に印刷することにより実施することができる。
【００１８】
次に、図１を参照して、工程（Ｓ４０）として、はんだ供給工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、図５を参照して、工程（Ｓ３０）においてフラックスが塗布された電極２０のＡｕ膜１４の表面に、はんだが供給される。具体的には、Ａｕ膜１４上に、はんだからなるはんだペレット１７が載置される。
【００１９】
次に、図１を参照して、工程（Ｓ５０）としてはんだ溶融工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、はんだペレット１７の融点よりも高い温度にはんだペレット１７が加熱されることにより、はんだペレット１７が溶融する。そして、工程（Ｓ６０）として実施されるはんだ凝固工程において、溶融したはんだが冷却されることにより凝固する。その結果、図６を参照して、Ｎｉ膜１３の表面上にドーム状の形状を有し、はんだを主成分とするバンプ２１が形成される。これにより、Ａｌ電極１２、Ｎｉ膜１３およびバンプ２１を含む金属電極３０が形成される。また、以上の工程により、バンプ２１を含む金属電極３０が形成された半導体装置１が完成する。
【００２０】
ここで、本実施の形態の工程（Ｓ２０）の実施前においては、Ａｕ膜１４上にはＮｉの酸化物や水酸化物が不均一に形成されている可能性がある。そのため、工程（Ｓ２０）を実施することなく工程（Ｓ１０）〜（Ｓ６０）が実施された場合、工程（Ｓ５０）において、Ｎｉの酸化物や水酸化物の形成量の少ない領域では、フラックス１６により当該酸化物や水酸化物が容易に除去され、はんだと電極２０との間の拡散がスムーズに進行する。一方、Ｎｉの酸化物や水酸化物の形成量の多い領域では、フラックス１６による酸化物や水酸化物の除去が容易に完了しないため、はんだと電極２０との間の拡散が妨げられる。その結果、はんだと電極２０との間の物質の拡散が不均一に進行し、ボイドが発生するおそれがある。
【００２１】
これに対し、上記本実施の形態における金属電極３０の形成方法によれば、工程（Ｓ２０）において、Ａｕ膜１４上に均一な膜厚を有する酸化膜１８が形成されている。そのため、工程（Ｓ５０）において、酸化膜１８に含まれる酸化物や水酸化物の除去が均一に進行する。その結果、上述のような拡散の不均一性が抑制され、ボイドの発生が抑制される。以上のように、本実施の形態における金属電極３０の形成方法および半導体装置１の製造方法によれば、金属電極３０の形成におけるボイドの発生を抑制することにより、電極２０とバンプ２１との接合の信頼性を向上させることができる。これにより、金属電極３０の耐久性が向上するとともに、歩留まりも向上する。
【００２２】
ここで、上記不均一な拡散に起因したボイドの発生は、はんだペレット１７を構成するはんだとして鉛フリーはんだを採用した場合に顕著に発生する。そのため、本実施の形態における金属電極の形成方法および半導体装置の製造方法は、はんだとして鉛フリーはんだを採用する場合に好適である。ここで、鉛フリーはんだとは、不純物として微量含まれるものを除き、鉛を含まないはんだをいう。また、本実施の形態においては、特に、Ｓｎ−１．０Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５ＣｕなどのＳｎ−Ａｇ系や、Ｓｎ−０．７ＣｕなどのＳｎ−Ｃｕ系はんだを採用することが好ましい。また、上述のように、電極２０の表面を含む領域にはＡｕ膜１４を含む金属層が形成されていることが好ましい。これにより、電極２０の最表面に生成する酸化膜の生成が抑制され、はんだの濡れ性が低下するのを抑制することができる。
【００２３】
（実施の形態２）
次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態２について説明する。図７は、実施の形態２における金属電極の形成方法を用いた半導体装置の製造方法の概略を示すフローチャートである。また、図８は、図７における工程（Ｓ１３０）を説明するための概略断面図である。
【００２４】
図１および図７を参照して、実施の形態２における金属電極の形成方法を用いた半導体装置の製造方法は、基本的には実施の形態１における金属電極の形成方法を用いた半導体装置の製造方法と同様の手順で実施され、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２では、実施の形態１における工程（Ｓ３０）および（Ｓ４０）に代えて、工程（Ｓ１３０）が実施される点において、実施の形態１とは異なっている。
【００２５】
すなわち、実施の形態２における金属電極の形成方法を用いた半導体装置の製造方法では、図７を参照して、まず実施の形態１の場合と同様に、工程（Ｓ１０）および（Ｓ２０）が実施される。次に、工程（Ｓ１３０）としてはんだペースト塗布工程が実施される。この工程（Ｓ１３０）では、図８を参照して、工程（Ｓ２０）において酸化膜１８が形成された電極２０のＡｕ膜１４の表面に、はんだペースト１９が塗布される。ここで、はんだペースト１９の塗布は、たとえば所望の開口パターンを有するマスクおよびスキージを用いて、はんだペースト１９を電極２０上に印刷することにより実施することができる。
【００２６】
その後、図７を参照して、工程（Ｓ５０）および（Ｓ６０）が実施の形態１の場合と同様に実施される。これにより、図６を参照して、Ａｌ電極１２、Ｎｉ膜１３およびバンプ２１を含む金属電極３０が実施の形態１の場合と同様に形成される。また、以上の工程により、バンプ２１を含む金属電極３０が形成された半導体装置１が完成する。実施の形態２における金属電極の形成方法を用いた半導体装置の製造方法によれば、実施の形態１の場合に比べて、工程数を減少させることができる。
【実施例１】
【００２７】
以下、本発明の実施例１について説明する。本発明の金属電極の形成方法と同様の手順で金属上にはんだバンプを形成したサンプルを作製し、金属とはんだとの接合状態を確認する実験を行なった。実験の手順は以下のとおりである。
【００２８】
まず、厚さ１ｍｍのＣｕ（銅）板に、狙い厚さ５μｍの電解Ｎｉめっきを施し、一辺１０ｍｍの正方形平板形状に切断した。そして、空気中において、１５０℃に設定されたホットプレート上で３分間の加熱処理を実施した。次に、一辺７ｍｍの正方形形状の開口パターンを有し、厚さ０．５ｍｍのステンレスマスクおよびメタルスキージを用いて、Ｎｉめっき膜の上にフラックスを印刷した。フラックスとしては、ロジン系のフラックスである千住金属工業社製のデルタフラックス５２３Ｈを用いた。さらに、厚さ０．１ｍｍ、一辺７ｍｍの正方形平板形状を有し、Ｓｎ（スズ）−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ（質量％）（３．０質量％のＡｇと０．５質量％のＣｕとを含有し、残部Ｓｎおよび不純物からなる成分組成を有することを示す。以下、同様の形式の記載は同様の成分組成を意味する。）のはんだペレットを載せ、さらにその上にフラックスを塗布した。そして、一辺７ｍｍの正方形形状を有する半導体チップを載せ、２６５℃に設定されたホットプレート上で９０秒間加熱した。以上の手順により、本発明の実施例のサンプルを１０個試作した。さらに、当該サンプルをアセトンとイソプロピルアルコールで洗浄後に樹脂に埋め込んで、Ｎｉめっき膜とはんだとの界面の観察が可能な断面を研磨することにより、観察用サンプルを作製した。
【００２９】
一方、比較のため、上記手順のうち、フラックスの印刷前に実施した１５０℃の加熱処理を省略し、他の手順を同様に実施することにより、本発明の範囲外である比較例のサンプルも１０個試作した。そして、上記実施例のサンプルと同様に洗浄後、樹脂に埋め込んで研磨することにより、観察用サンプルを作製した。
【００３０】
次に、実験の結果を説明する。上記観察用サンプルのＮｉめっき膜とはんだとの界面（接合界面）を、電子顕微鏡を用いて２万倍の倍率で観察した。その結果、実施例のサンプルにおいては、ボイドの発生がないことが確認された。一方、比較例のサンプルにおいては、１０個のサンプルのうち３個のサンプルにおいて、接合界面に生成した金属間化合物層内に連続的にボイドが生成していることがわかった。このボイドは、サブミクロンオーダーの微小なボイドであり、連続的に生成している。そのため、接合界面の熱伝導性や電気伝導性が低下する原因になるとともに、熱応力によってボイド間に亀裂が生じるなどして、接合信頼性の低下の原因ともなる。
【００３１】
以上の実験結果より、本発明の金属電極の形成方法によれば、フラックスの塗布（印刷）の前に、はんだの融点よりも低い温度に電極を加熱する熱処理を行なうことで、接合界面におけるサブミクロンオーダーの微小なボイドの発生を防ぐことができるので、熱伝導性や接合信頼性の向上が可能であることが確認された。
【実施例２】
【００３２】
以下、本発明の実施例２について説明する。本発明の金属電極の形成方法と同様の手順で金属上にはんだバンプを形成したサンプルを作製し、金属とはんだとの接合状態を確認する実験を行なった。実験の手順は以下のとおりである。
【００３３】
まず、厚さ１ｍｍのＣｕ（銅）板に、狙い厚さ５μｍの無電解Ｎｉ−Ｐ（ニッケル−リン）めっきを施し、さらに形成されためっき膜上に狙い厚さ０．１μｍの無電解Ａｕめっきを施した上で、一辺１０ｍｍの正方形形状を有する平板に切断した。そして、上記実施例１の場合と同様に１５０℃の加熱処理、フラックスの印刷を行なった上ではんだペレットを載せ、さらにその上にフラックスを塗布した。さらに、実施例１と同様に半導体チップを載せ、２６５℃に加熱して、本発明の実施例のサンプルを１０個試作した。そして、当該サンプルを用いて、実施例１と同様に観察用サンプルを作製した。
【００３４】
一方、比較のため、上記手順のうちフラックスの印刷前に実施した１５０℃の加熱処理を省略し、他の手順を同様に実施することにより、本発明の範囲外である比較例のサンプルも１０個試作した。そして、上記実施例のサンプルと同様に洗浄後、樹脂に埋め込んで研磨することにより、観察用サンプルを作製した。
【００３５】
次に、実験の結果を説明する。上記観察用サンプルのめっき膜とはんだとの界面（接合界面）を、電子顕微鏡を用いて２万倍の倍率で観察した。その結果、実施例のサンプルにおいては、ボイドの発生がないことが確認された。一方、比較例のサンプルにおいては、１０個のサンプル全てにおいて、接合界面に生成した金属間化合物層内に連続的にボイドが生成していることがわかった。
【００３６】
以上の実験結果より、本発明の金属電極の形成方法によれば、フラックスの塗布（印刷）の前に、はんだの融点よりも低い温度に電極を加熱する熱処理を行なうことで、接合界面におけるサブミクロンオーダーの微小なボイドの発生を防ぐことができるので、熱伝導性や接合信頼性の向上が可能であることが確認された。
【実施例３】
【００３７】
以下、本発明の実施例３について説明する。本発明の金属電極の形成方法と同様の手順で金属上にはんだバンプを形成したサンプルを作製し、金属とはんだとの接合状態を確認する実験を行なった。実験の手順は以下のとおりである。
【００３８】
まず、厚さ１ｍｍのＣｕ板に、狙い厚さ５μｍの無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施し、さらに形成されためっき膜上に狙い厚さ０．１μｍの無電解Ａｕめっきを施した上で、一辺１０ｍｍの正方形形状を有する平板に切断した。そして、空気中において、１２５℃に設定されたホットプレート上で３分間の加熱処理を実施した。次に、一辺７ｍｍの正方形形状の開口パターンを有し、厚さ０．２ｍｍのステンレスマスクおよびメタルスキージを用いて、Ａｕめっき膜の上にＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ（質量％）の金属組成を有するソルダーペーストを印刷した。そして、一辺７ｍｍの正方形形状を有する半導体チップを載せ、２６５℃に設定されたホットプレート上で９０秒間加熱した。以上の手順により、本発明の実施例のサンプルを１０個試作した。さらに、当該サンプルをアセトンとイソプロピルアルコールで洗浄後に樹脂に埋め込んで、Ｎｉめっき膜とはんだとの界面の観察が可能な断面を研磨することにより、観察用サンプルを作製した。
【００３９】
一方、比較のため、上記手順のうち、ソルダーペーストの印刷前に実施した１２５℃の加熱処理を省略し、他の手順を同様に実施することにより、本発明の範囲外である比較例のサンプルも１０個試作した。そして、上記実施例のサンプルと同様に洗浄後、樹脂に埋め込んで研磨することにより、観察用サンプルを作製した。
【００４０】
次に、実験の結果を説明する。上記観察用サンプルのＡｕめっき膜とはんだとの界面（接合界面）を、電子顕微鏡を用いて２万倍の倍率で観察した。その結果、実施例のサンプルにおいては、ボイドの発生がないことが確認された。一方、比較例のサンプルにおいては、１０個のサンプル全てにおいて、接合界面に生成した金属間化合物層内に連続的にボイドが生成していることがわかった。
【００４１】
以上の実験結果より、本発明の金属電極の形成方法によれば、ソルダーペーストの塗布（印刷）の前に、はんだの融点よりも低い温度に電極を加熱する熱処理を行なうことで、接合界面におけるサブミクロンオーダーの微小なボイドの発生を防ぐことができるので、熱伝導性や接合信頼性の向上が可能であることが確認された。
【実施例４】
【００４２】
以下、本発明の実施例４について説明する。本発明の金属電極の形成方法と同様の手順で金属上にはんだバンプを形成したサンプルを作製し、金属とはんだとの接合強度を確認する実験を行なった。実験の手順は以下のとおりである。
【００４３】
まず、Ｓｉ（珪素）基板表面にＣｕを厚さ１００ｎｍ狙いでスパッタ成膜し、その表面に厚さ１００μｍ狙いで電解Ｃｕめっきを行ない、さらにその表面に厚さ１５０μｍ狙いで電解Ｎｉめっきを行った。その後、ポリイミドを用いてＳｉ基板表面の一部を被覆することにより、直径φ７０μｍの開口を１５０μｍピッチで形成したＴＥＧ（Ｔｅｓｔ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｇｒｏｕｐ）ウエハを作製した。そして、当該ＴＥＧウエハに対して１５０℃に設定されたホットプレート上で３分間の加熱処理を実施した。次に、ＴＥＧウエハにダイシングを実施することによりＴＥＧチップを作製した。そして、直径φ６５μｍの開口を有し、厚さ１００μｍのステンレスマスクを用いてＴＥＧチップ表面にフラックスを塗布した後、当該ＴＥＧチップ上に、直径φ７５μｍでＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ（質量％）の金属組成を有するはんだボールを、ジグを用いて１００ボール以上供給した。さらに、２７０℃に設定されたホットプレート上で２分間加熱した上で空冷し、本発明の実施例のサンプルを２０チップ試作した。
【００４４】
一方、比較のため、上記手順のうちフラックスの塗布前に実施した１５０℃の加熱処理を省略し、他の手順を同様に実施することにより、本発明の範囲外である比較例のサンプルも１０チップ試作した。
【００４５】
次に、実験の結果を説明する。上記実施例のサンプルについて任意の１００箇所を選択し、温度が５０℃以下になったことを確認後５分以内に、はんだ接合界面付近にピンセットで力を加え、強制的に破断させた。そして、破断面を光学顕微鏡で観察することにより破断モードを確認した。その結果、全てのサンプルにおいて、破断がはんだ層の内部で発生していることが分かった。一方、上記比較例のサンプルについても同様に破断面を形成し、当該破断面を観察したところ、全体の５０％において接合界面に破断が発生していることが分かった。
【００４６】
以上の実験結果より、本発明の金属電極の形成方法によれば、フラックスの塗布の前に、はんだの融点よりも低い温度に電極を加熱する熱処理を行なうことで、接合界面におけるサブミクロンオーダーの微小なボイドの発生を防ぐことができるので、接合界面での破断が抑制可能であり、熱伝導性や接合信頼性の向上が可能であることが確認された。
【実施例５】
【００４７】
以下、本発明の実施例５について説明する。本発明の金属電極の形成方法と同様の手順で金属上にはんだバンプを形成したサンプルを作製し、金属とはんだとの接合強度を確認する実験を行なった。実験の手順は以下のとおりである。
【００４８】
まず、上記実施例４の場合と同様のＴＥＧウエハを作製し、当該ＴＥＧウエハに対して１５０℃に設定されたホットプレート上で３分間の加熱処理を実施した。次に、ＴＥＧウエハにダイシングを実施することによりＴＥＧチップを作製した後、直径φ６５μｍの開口を有し、厚さ１００μｍのステンレスマスクを用いて、ＴＥＧチップ表面にＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ（質量％）の金属組成を有するソルダーペーストを印刷した。その後、２７０℃に設定されたホットプレート上で２分間加熱した上で空冷することにより、本発明の実施例のサンプルを２０チップ試作した。
【００４９】
一方、比較のため、上記手順のうち、ソルダーペーストの印刷前に実施した１５０℃の加熱処理を省略し、他の手順を同様に実施することにより、本発明の範囲外である比較例のサンプルも１０チップ試作した。
【００５０】
次に、実験の結果を説明する。上記実施例のサンプルについて任意の１００箇所を選択し、温度が５０℃以下になったことを確認後５分以内に、はんだ接合界面付近にピンセットで力を加え、強制的に破断させた。そして、破断面を光学顕微鏡で観察することにより破断モードを確認した。その結果、全てのサンプルにおいて、破断がはんだ層の内部で発生していることが分かった。一方、上記比較例のサンプルについても同様に破断面を形成し、当該破断面を観察したところ、全体の５０％において接合界面に破断が発生していることが分かった。
【００５１】
以上の実験結果より、本発明の金属電極の形成方法によれば、ソルダーペーストの印刷の前に、はんだの融点よりも低い温度に電極を加熱する熱処理を行なうことで、接合界面におけるサブミクロンオーダーの微小なボイドの発生を防ぐことができるので、接合界面での破断が抑制可能であり、熱伝導性や接合信頼性の向上が可能であることが確認された。
【実施例６】
【００５２】
以下、本発明の実施例６について説明する。本発明の金属電極の形成方法と同様の手順で金属上にはんだバンプを形成したサンプルを作製し、金属とはんだとの接合強度を確認する実験を行なった。実験の手順は以下のとおりである。
【００５３】
まず、Ｓｉ基板表面にＡｌをスパッタ成膜し、ポリイミドを用いてＳｉ基板表面の一部を被覆して直径φ７０μｍの開口を１５０μｍピッチで形成することにより、連続的なパターン電極を有するＴＥＧウエハを作製した。その後、当該パターン電極上に狙い厚さ７μｍの無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施し、さらにその表面に厚さ０．３μｍ狙いで無電解Ａｕめっきを施した。そして、当該ＴＥＧウエハに対して１３５℃に設定されたホットプレート上で４分間の加熱処理を実施した。次に、ＴＥＧウエハを一辺１０ｍｍの正方形平板形状にダイシングし、ＴＥＧチップとした。そして、ＴＥＧチップの電極に、直径φ６０μｍの開口が１５０μｍピッチで形成された厚さ５０μｍのステンレスマスクを位置合わせした後、これを用いてフラックスを印刷した。さらに、ジグを用いて直径φ８０μｍのＳｎ−１．０Ａｇ−０．５Ｃｕ（質量％）のはんだボールを１００個以上、ＴＥＧチップ上に無作為に供給した。そして、２７０℃に設定されたホットプレート上で２分間加熱した上で空冷することにより、本発明の実施例のサンプルを２０チップ試作した。
【００５４】
一方、比較のため、上記手順のうち、フラックスの印刷前に実施した１３５℃の加熱処理を省略し、他の手順を同様に実施することにより、本発明の範囲外である比較例のサンプルも１０チップ試作した。
【００５５】
次に、実験の結果を説明する。上記実施例のサンプルについて任意の１００箇所を選択し、温度が５０℃以下になったことを確認後５分以内に、はんだ接合界面付近にピンセットで力を加え、強制的に破断させた。そして、破断面を光学顕微鏡で観察することにより破断モードを確認した。その結果、全てのサンプルにおいて、破断がはんだ層の内部で発生していることが分かった。一方、上記比較例のサンプルについても同様に破断面を形成し、当該破断面を観察したところ、全体の８０％において接合界面に破断が発生していることが分かった。
【００５６】
以上の実験結果より、本発明の金属電極の形成方法によれば、フラックスの印刷の前にはんだの融点よりも低い温度に電極を加熱する熱処理を行なうことで、接合界面におけるサブミクロンオーダーの微小なボイドの発生を防ぐことができるので、接合界面での破断が抑制可能であり、熱伝導性や接合信頼性の向上が可能であることが確認された。
【実施例７】
【００５７】
以下、本発明の実施例７について説明する。本発明の金属電極の形成方法と同様の手順で金属上にはんだバンプを形成したサンプルを作製し、金属とはんだとの接合強度および接合状態を確認する実験を行なった。実験の手順は以下のとおりである。
【００５８】
まず、上記実施例６の場合と同様にＴＥＧウエハを作製し、同様にめっきを施した上で、１５０℃に設定されたホットプレート上で４分間の加熱処理を実施した。次に、当該ＴＥＧウエハをダイシングし、ＴＥＧチップとした。そして、ＴＥＧチップの電極に、直径φ６５μｍの開口が形成された厚さ１００μｍのステンレスマスクを位置合わせした後、これを用いてＳｎ−１．０Ａｇ−０．５Ｃｕ（質量％）の金属組成を有するソルダーペーストを印刷した。そして、２７０℃に設定されたホットプレート上で２分間加熱した上で空冷することにより、本発明の実施例のサンプルを２０チップ試作した。
【００５９】
一方、比較のため、上記手順のうち、ソルダーペーストの印刷前に実施した１５０℃の加熱処理を省略し、他の手順を同様に実施することにより、本発明の範囲外である比較例のサンプルも２０チップ試作した。
【００６０】
次に、実験の結果を説明する。上記実施例のサンプルについて任意の１００箇所を選択し、温度が５０℃以下になったことを確認後５分以内に、はんだ接合界面付近にピンセットで力を加え、強制的に破断させた。そして、破断面を光学顕微鏡で観察することにより破断モードを確認した。その結果、ほぼ１００％のサンプルにおいて、破断がはんだ層の内部で発生していることが分かった。一方、上記比較例のサンプルについても同様に破断面を形成し、当該破断面を観察したところ、全てのサンプルにおいて接合界面に破断が発生していることが分かった。
【００６１】
さらに、上記実施例および比較例のサンプルにおいて、破断させなかったはんだ接合面付近の断面を電子顕微鏡により観察した。その結果、実施例のサンプルにおいては、接合界面に生成した金属間化合物内およびその近傍にほとんどボイドは見られない一方、比較例のサンプルにおいては、連続的にボイドが形成されていることが確認された。
【００６２】
以上の実験結果より、本発明の金属電極の形成方法によれば、ソルダーペーストの印刷の前に、はんだの融点よりも低い温度に電極を加熱する熱処理を行なうことで、接合界面におけるサブミクロンオーダーの微小なボイドの発生を防ぐことができるので、接合界面での破断が抑制可能であり、熱伝導性や接合信頼性の向上が可能であることが確認された。
【００６３】
また、同様の評価を、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−０．７Ｃｕ、Ｓｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．０１Ｎｉ、Ｓｎ−５８Ｂｉ（ビスマス）、Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉ、Ｓｎ−５Ｓｂ（アンチモン）、８０Ａｕ−２０Ｓｎ（質量％）の組成を有するはんだを用いて行なった。その結果、ソルダーペーストの印刷の前に、はんだの融点よりも低い温度に電極を加熱する熱処理を行なうことで、接合界面に生成するボイドが著しく抑制されることが確認された。これにより、本発明の金属電極の形成方法が、はんだの組成にかかわらず有効であることが確認された。
【実施例８】
【００６４】
以下、本発明の実施例８について説明する。本発明の金属電極の形成方法と同様の手順で金属上にはんだバンプを形成した金属電極のサンプルを作製し、当該金属電極同士を接合することにより、はんだ接合界面の信頼性を確認する実験を行なった。実験の手順は以下のとおりである。
【００６５】
まず、Ｓｉ基板表面にＣｕを厚さ１００ｎｍ狙いでスパッタ成膜し、その表面に厚さ１００μｍ狙いで電解Ｃｕめっきを行なった。そして、その表面に厚さ１５０μｍ狙いで電解Ｎｉめっきを行なった上で、さらにその表面に厚さ０．５μｍ狙いで電解Ａｕめっきを施した。その後、ポリイミドを用いてＳｉ基板表面の一部を被覆することにより、直径φ７０μｍの開口を１５０μｍピッチで形成したＴＥＧウエハを作製した。そして、当該ＴＥＧウエハに対して１４５℃に設定されたホットプレート上で２分間の加熱処理を実施した。次に、ＴＥＧウエハを一辺１０ｍｍの正方形平板形状にダイシングし、ＴＥＧチップとした。そして、ＴＥＧチップの電極に、直径φ６５μｍの開口が形成された厚さ５０μｍのメタルマスクを位置合わせした後、これを用いてフラックスを印刷した。さらに、ジグを用いてＳｎ−３．９Ａｇ−０．６Ｃｕ―４Ｓｂ（質量％）のはんだボールをＴＥＧチップ上に供給した。そして、２８０℃に設定されたホットプレート上で２分間加熱した上で空冷し、はんだバンプを形成することにより、本発明の実施例のサンプルを２０チップ試作した。
【００６６】
一方、比較のため、上記手順のうち、フラックスの印刷前に実施した１４５℃の加熱処理を省略し、他の手順を同様に実施することにより、本発明の範囲外である比較例のサンプルも２０チップ試作した。
【００６７】
そして、上記２０個のチップを２個ずつ向かい合わせて配置し、はんだバンプの表面同士が接触するように位置合わせした上で、フリップチップボンダーを用いて接合させた。この接合は、一方のチップ（下チップ）を１５０℃に設定されたステージ上に載置し、他方のチップ（上チップ）をツールに吸着させてはんだバンプ同士を接触させ、約５０ｇｆの荷重をかけながら３２０℃まで温度を上昇させ、荷重をゼロとしてチップ吸着を止め、空冷することによって実施した。
【００６８】
このようにして得られたサンプルのはんだ接合部を、樹脂埋めした上で断面の研磨を行ない、観察用サンプルを作製した。そして、電子顕微鏡を用いて当該観察用サンプルの接合界面に生成した金属間化合物内およびその近傍のボイドについて調査を行なった。
【００６９】
次に、実験の結果を説明する。上記観察用サンプルにおけるボイドの発生状態の調査の結果、実施例のサンプルにはボイドがほとんど見られなかった。一方、比較例のサンプルには連続的なボイドが見られ、一部亀裂のような様相を呈していることが確認された。これは冷却時の応力歪により、連続的に生成したボイドが繋がったものと推測される。
【００７０】
以上の実験結果より、はんだ接合の信頼性を向上させるという本発明の効果は、金属電極を有する２以上の部品同士が接合される場合、より明確になることが確認された。また、たとえば熱膨張係数の異なる基板同士を金属電極において接合する場合、上記本発明の効果は一層明確になるものと考えられる。
【００７１】
なお、本発明の金属電極の形成方法によれば、接合界面におけるボイドの発生が抑制されることにより、耐クラック性や接合強度のみならず、エレクトロマイグレーション耐性などの信頼性が向上するという効果も得られる。
【００７２】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の金属電極の形成方法は、金属電極の形成時においてボイドの発生を抑制することが求められる金属電極の形成方法に、特に有利に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】実施の形態１における金属電極の形成方法を用いた半導体装置の製造方法の概略を示すフローチャートである。
【図２】金属電極の形成方法を説明するための概略断面図である。
【図３】金属電極の形成方法を説明するための概略断面図である。
【図４】金属電極の形成方法を説明するための概略断面図である。
【図５】金属電極の形成方法を説明するための概略断面図である。
【図６】金属電極の形成方法を説明するための概略断面図である。
【図７】実施の形態２における金属電極の形成方法を用いた半導体装置の製造方法の概略を示すフローチャートである。
【図８】金属電極の形成方法を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
【００７５】
１  半導体装置、１１  半導体素子、１２  Ａｌ電極、１３  Ｎｉ膜、１４  Ａｕ膜、１５  ポリイミド被覆層、１６  フラックス、１７  はんだペレット、１８  酸化膜、１９  はんだペースト、２０  電極、２１  バンプ、３０  金属電極。
【図１】
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【図２】
0005146662.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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